根据朱老师的课程及下面博客整理

http://blog.chinaunix.net/uid-20443992-id-5700979.html

ARM 采用的是32位架构

ARM 约定:

  Byte : 8 bits

  Halfword :16 bits (2 byte)

  Word : 32 bits (4 byte)

大部分ARM core 提供:

  ARM 指令集(32-bit)

  Thumb 指令集(16-bit )

  Thumb2指令集(16 & 32bit)

ARM 有7个基本工作模式:

  User :非特权模式,大部分任务执行在这种模式。

  FIQ :当一个高优先级(fast) 中断产生时将会进入这种模式,如高速数据传输或通道处理。

  IRQ :当一个低优先级(normal) 中断产生时将会进入这种模式,通常在硬件中断信号后进入该模式。

  Supervisor :当复位或软中断指令执行时将会进入这种模式,主要用于系统的初始化。

  Abort :当存取异常时将会进入这种模式,当访问非法地址或读取无权限内存地址时进入该模式。

  Undef :当执行未定义指令时会进入这种模式,用于支持硬件协处理器的软件仿真。

  System :使用和User模式相同寄存器集的特权模式。

  注意:

  (1)除User(用户模式)是Normal(普通模式)外,其他6种都是Privilege(特权模式)。

  (2)Privilege中除Sys模式外,其余5种为异常模式。

  (3)各种模式的切换,可以是程序员通过代码主动切换(通过写CPSR寄存器);也可以是CPU在某些情况下自动切换。

  (4)各种模式下权限和可以访问的寄存器不同。

ARM中7种模式下的寄存器

  ARM共有37位长度

  37个寄存器中30个为“通用”型,1个固定用作PC,一个固定用作CPSR,5个固定用作5种异常模式下的SPSR。

  图中有名字相同的寄存器,但是不是同一个寄存器。如r13在不同的模式下都有,但是不同模式下的r13都是不一样的,这种寄存器叫影子寄存器。

  (1)黑色部分的代表共用的寄存器,其他颜色的代表对应工作模式下才有的寄存器。

  (2)为什么7种模式下的r13是不一样的?

    r13(sp)是堆栈指针,如果7种模式都是采用同一个堆栈指针的话,在某一个模式中,堆栈出现了问题,则会导致7中模式都奔溃,故7种模式的栈都是不同的。

  (3)r14(lr)是用来存储返回地址的,每种模式的r14都是不同的寄存器。

  (4)spsr是用于切换模式前,将当前模式的cpsr的内容保存起来,在返回时,再将spsr的值给cpsr。

  (5)PC(Program control register)为程序指针,PC指向哪里,CPU就会执行哪条指令(所以程序跳转时就是把目标地址代码放到PC中)。

  (6)整个CPU中只有一个PC(CPSR也只有一个,但SPSR有5个)。

程序状态寄存器CPSR

                                                                                            

  N(Negative)---设置成当前指令运算结果的bit[31]的值。当两个有符号整数运算时,N=1运算结果为负数,N=0运算结果为正。

Z(Zero)---Z=1运算结果为零;Z=0表示运算的结果不为零。对于CMP指令,Z=1表示进行比较的两个数大小相等。

C(Carried out)---分四种情况讨论

1)在加法指令中(包括比较指令CMP),当结果产生进位,则C=1,表示无符号运算发生上溢出;其他情况C=0。

2)在减法指令中(包括减法指令CMP),当运算发生借位,则C=0,表示无符号运算发生下溢出;其他情况下C=1。

3)对于包含移位操作的非加减运算指令,C中包含最后一次溢出的位的数值

4)对于其他非加减运算指令,C位的值通常不受影响

V(oVerflow)---对于加减运算指令,当操作数和运算结果为二进制的补码表示的带符号数时,V=1符号为溢出;通常其他指令不影响V位。

I和F---当I=1时禁止IRQ中断,当F=1时禁止FIQ中断

T---对于ARM V4以更高版本的T系列ARM处理器,T=0表示执行ARM指令;T=1表示执行Thumb指令

  M[4:0]---定义了的ARM工作模式,具体下中表CSPR[4:0]定义的ARM工作模式。

CPSR[4:0]

处理器模式

可访问的寄存器

0b10000

USER

R0~R14;PC;CPSR

0b10001

FIQ

R0~R7;R8_FIQ-R14_fiq;PC;CPSR;SPSR_fiq

0b10010

IRQ

R0~R12;R13_irq-R14_irq;PC;CPSR;SPSR_irq

0b10011

SUPERVISOR

R0~R12;R13_svc-R14_svc;PC;CPSR;SPSR_svc

0b10111

ABORT

R0~R12;R13_abt-R14_abt;PC;CPSR;SPSR_abt

0b11011

UNDEFINED

R0~R12;R13_und-R14_und;PC;CPSR;SPSR_und

0b11111

SYSTEM

R0~R14;PC;CPSR

R0~R7

所有工作模式下,R0-R7都分别指向同一个物理寄存器(共8个物理寄存器),它们未被系统用作特殊的用途。在中断或异常处理进行工作模式转换时,由于不同工作模式均使用相同的物理寄存器,可能造成寄存器中数据的破坏。

R8~R12

在User&System、IRQ、Svc、Abt和Und模式下访问的R8~R12都是同一个物理寄存器(共5个物理寄存器);在FIQ模式下,访问的R8_fiq~R12_fiq是另外独立的物理寄存器(共5个物理寄存器)。

R13R14

在User&System、IRQ、FIQ、Svc、Abt和Und访问的R13_~R14都是各自模式下独立的物理寄存器(共12个物理寄存器)。

R13在ARM指令中常用作堆栈指针(SP),但这只是一种习惯用法,用户也可使用其他的寄存器作为堆栈指针。而在Thumb指令集中,某些指令强制性的要求使用R13作为堆栈指针。

由于处理器的每种工作模式均有自己独立的物理寄存器R13,在用户应用程序的初始化部分,一般都要初始化每种模式下的R13,使其指向该工作模式的栈空间。这样,当程序进入异常模式时,可以将需要保护的寄存器放入R13所指向的堆栈,而当程序从异常模式返回时,则从对应的堆栈中恢复,采用这种方式可以保证异常发生后程序的正常执行。

R14称为链接寄存器(Link Register),当执行子程序调用指令(BL)时,R14可得到R15(程序计数器PC)的备份。在每一种工作模式下,都可用R14保存子程序的返回地址,当用BL或BLX指令调用子程序时,将PC的当前值复制给R14,执行完子程序后,又将R14的值复制回PC,即可完成子程序的调用返回。以上的描述可用指令完成。

  执行以下任意一条指令:

MOV PC, LR

BX LR

  在子程序入口处使用以下指令将R14存入堆栈:

STMFD SP!,{,LR}

  对应的,使用以下指令可以完成子程序返回:

LDMFD SP!,{,PC}

程序计数器PC(R15)

所有工作模式下访问的R15都是同一个物理寄存器,由于ARM体系结构采用了多级流水线技术,对于ARM指令集而言,PC总是指向当前指令的下两条指令的地址,即PC的值为当前指令的地址值加8个字节(每个ARM指令四个字节)。

CPSRSPSR

R16用作CPSR(Current Program Status Register,当前程序状态寄存器),CPSR可在任何工作模式下被访问,它包括条件标志位、中断禁止位、当前处理器模式标志位,以及其他一些相关的控制和状态位。

每一种工作模式下又都有一个专用的物理状态寄存器,称为SPSR(Specified Program Status Register,备份的程序状态寄存器),当异常发生时,SPSR用于保存CPSR的当前值,从异常退出时则可由SPSR来恢复CPSR。

User模式和System模式不属于异常模式,它们没有SPSR,当在这两种模式下访问SPSR,结果是未知的。

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